Berge von Mastodonkot, Kaninchenhaare, Birkenblätter: Mit neu entdecktem Erbmaterial können Forscher in die Zeit zurückgehen, als in der Eiszone Nordgrönlands noch Bäume wuchsen.
Vor zwei Millionen Jahren hatte Nordgrönland statt der heutigen Polarwüste eine üppig grüne Landschaft. Jetzt haben Forscher DNA aus dieser Zeit von vielen verschiedenen Kreaturen gefunden. Dieses Genom ist eine Million Jahre älter als das älteste Genom, das in gefrorenen Mammutknochen im sibirischen Permafrost gefunden wurde.
Kleine Teile stammen von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen, darunter Rentiere, Kaninchen, Lemminge, Gänse, Birken und Fichten. Wissenschaftler hoffen, dass sich bewährte pflanzenspezifische genetische Anpassungen nutzen lassen, um heutige Arten widerstandsfähiger gegen den aktuellen Klimawandel zu machen.
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Video: AFP
Genetische Fußabdrücke sind überall in der Umwelt zu finden: Sie stammen von Haar- und Federschuppen, Hautschuppen, Fäkalien, Pollen und vielem mehr. In Wasser- und Bodenproben lassen sich verschiedene Tierarten der Region nur anhand der darin enthaltenen DNA-Spuren identifizieren. Man spricht von Umwelt-DNA, auch eDNA genannt – das „e“ vom englischen Wort „environmental“. Unter bestimmten Bedingungen kann auch alte Umwelt-DNA aufgespürt und analysiert werden, insbesondere in Permafrostsedimenten.
Forscher entdeckten tief in Sedimenten vergrabene Umwelt-DNA
„Zum ersten Mal kann die DNA eines vergangenen Ökosystems direkt in die Vergangenheit gesehen werden“, sagt Erstautorin Eske Willerslov von der University of Cambridge. „DNA kann schnell zerfallen, aber wir haben gezeigt, dass wir unter den richtigen Bedingungen weiter zurückgehen können, als irgendjemand dachte“, erklärt Curt Kiar von der Universität Kopenhagen. Umwelt-DNA wurde tief in Sedimenten gefunden, deren Bildung 20.000 Jahre dauerte. Diese Ablagerung wurde schließlich im Eis oder Permafrost konserviert und war vor allem zwei Millionen Jahre lang vom Menschen unbeeinflusst.
Möglich wurde der Durchbruch durch eine neue Generation von Maschinen zur Verarbeitung und Entschlüsselung von DNA, wie das Team um Willerslov und Kyar im Fachblatt „Nature“ berichtet. In eiszeitlichen Sedimenten in Nordgrönland wurden mikroskopisch kleine DNA-Stücke gefunden, die nur wenige Millionstel Millimeter groß sind. Sie stammen aus der Cape-Cobenhoon-Formation, einer fast 100 Meter dicken Sedimentablagerung an der Mündung eines Fjords in den Arktischen Ozean am nördlichsten Punkt Grönlands. Grönlands Klima schwankte damals zwischen arktisch und gemäßigt und war 10 bis 17 Grad wärmer als heute. Dieses Ökosystem war ein offener und sogenannter Nordwald mit einer Mischvegetation aus Fichten, Birken und Thujabäumen sowie verschiedenen Sträuchern und Pflanzen.
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Einige DNA-Stücke können leicht den Vorfahren moderner Arten zugeordnet werden, andere können nur einer größeren Gruppe von Arten zugeordnet werden – und für andere kann in den heutigen DNA-Bibliotheken keine Artübereinstimmung gefunden werden. Wissenschaftler entdeckten auch, dass das Mastodon, ein eiszeitliches Säugetier, einst nach Grönland einwanderte, bevor es ausstarb. Bisher ging man davon aus, dass sich das Verbreitungsgebiet elefantenähnlicher Tiere nicht von ihrem Ursprung in Nord- und Mittelamerika bis nach Grönland erstreckte. Die Studie besagt, dass das späte Pliozän und das frühe Pleistozän vor 3,6 bis 0,8 Millionen Jahren ein ähnliches Klima hatten wie für die zukünftige Erwärmung vorhergesagt.
Forschung zeigt: Arten, die an schwankende Temperaturen angepasst sind
Die Forscher hoffen, dass ihre Ergebnisse dazu beitragen können, die langfristigen Umweltfolgen der globalen Erwärmung vorherzusagen. Laut Mikkel Pedersen von der Universität Kopenhagen zeigen die in Grönland gewonnenen Daten, dass mehr Arten als bisher angenommen in der Lage sind, sich zu entwickeln und sich an schwankende Temperaturen anzupassen. Es ist jedoch sehr wichtig, dass die Ergebnisse auch zeigen, dass sie dafür Zeit brauchen.
„Die heutige Rate der globalen Erwärmung bedeutet, dass Organismen und Arten diese Zeit nicht haben, sodass der Klimanotstand eine große Bedrohung für die biologische Vielfalt und die Welt bleibt – das Aussterben einiger Arten, einschließlich Pflanzen und Bäume, steht unmittelbar bevor.“ Forscher können auch verwenden Genetische Daten zur Ableitung von Wechselwirkungen mit Bakterien und anderen Mikroorganismen in früheren Landschaften. Sie hoffen auch, dass die Analyse in viel wärmeren Regionen möglich sein wird.
Willerslow sagte, dass DNA im Allgemeinen am besten in den kalten, trockenen Bedingungen überlebt, wo das Material die meiste Zeit am Cape Cobbenhaven abgelagert wurde. Alte DNA kann jedoch auch in warmen, feuchten Umgebungen in Ton konserviert worden sein, beispielsweise an Orten in Afrika. „Wenn wir beginnen können, alte DNA in Tonkörnern aus Afrika zu untersuchen, können wir möglicherweise grundlegende Informationen über die Ursprünge verschiedener Arten sammeln – vielleicht sogar neue Erkenntnisse über frühe Menschen und ihre Vorfahren – die Möglichkeiten sind endlos.“ Es ist das Ende .”
Auch Henrik Korenwinkel von der Universität Trier hält “revolutionäre Neuentdeckungen” für sehr wahrscheinlich. Die bisherigen Erfolge beruhen vor allem auf großen Fortschritten in der Sequenziertechnik, die eine schnellere und kostengünstigere Entschlüsselung des Erbguts ermöglichen. Das Ende der technischen Entwicklung ist nicht absehbar. Auch Kohrenwinkel sieht keine zeitliche Begrenzung. Vor etwa zehn Jahren hielten Experten es noch für unmöglich, mehr als 100.000 Jahre zurückzugehen – jetzt sind es nur noch zwei Millionen.
„Wenn die Bedingungen stimmen, kann DNA sehr stabil sein“, erklärt Umweltwissenschaftler Trier. Permafrost ist ideal, weil das Molekül chemisch schwer zu brechen ist und es keine aktiven Mikroben gibt, die DNA sehr schnell abbauen können. Wenn es tatsächlich möglich wäre, alte DNA in den Tropen zu finden und zu entschlüsseln, wie Willerslow vorgeschlagen hat, würde dies ein enormes Potenzial für evolutionäre Erkenntnisse bieten. „Die Biodiversität war in tropischen Regionen schon immer sehr hoch, und viele Arten, darunter auch der Mensch, haben sich in solchen Regionen entwickelt“, sagt Kohnwinkel.
eDNA-Studie zeigte die Ankunft von marinen Wanderfischen vor vielen Jahren
Umwelt-DNA wird seit langem von Wissenschaftlern zur Analyse verwendet – bisher jedoch hauptsächlich für diejenigen mit aktuellem Status. Beispielsweise wurde vor Jahren eine eDNA-Studie verwendet, um die Ankunft zahlreicher mariner Wanderfische in New Yorker Gewässern zu verfolgen – einfach durch die Analyse regelmäßig entnommener Wasserproben. Solche Umwelt-DNA-Untersuchungen hätten die Überwachung von Tierarten erheblich vereinfacht und beschleunigt, schrieben die Forscher damals in der Fachzeitschrift. PLUS EINS.
Walhaie in den Weltmeeren können auf diese Weise ebenso identifiziert werden wie invasive Arten oder Krankheitserreger in den Gewässern – ohne dass die Tiere gefangen oder getötet werden müssen. Korenwinkel und seine Kollegen entwickelten eine Methode, mit der aus getrockneten Pflanzen genetische Spuren von Insekten gewonnen und ausgewertet werden können. Demnach findet sich in einem einzigen handelsüblichen Teebeutel DNA von 400 verschiedenen Insektenarten.
Wenn die Biene zur Bestäubung zur Blüte fliegt, hinterlässt sie etwas Speichel. Ein Insekt beißt in ein Blatt, eine Spinne legt Seidenfäden. Laut Krehenwinkel reicht das aus, um Insekten-DNA nachzuweisen. Juni im Fachmagazin Bio Briefe Die vorgestellte Methode eröffnet die Möglichkeit, alte Pflanzenpopulationen, beispielsweise aus Museen, zu analysieren und ihre Besiedlung mit der heutigen zu vergleichen.
Forscher können nützliche Rückschlüsse auf die Reduzierung von Insekten ziehen
„Daraus können wir auf Veränderungen in der Artenzusammensetzung schließen“, erklärt Trierer. Dies ist beispielsweise wichtig, um den Insektenrückgang zu analysieren, wo andere Daten fehlen. Ein Team um Kohrenwinkel untersuchte anhand von Umwelt-DNA aus jahrzehntelang archiviertem Blattmaterial Veränderungen in der Gemeinschaft von Insekten und anderen darauf lebenden Arthropoden – insgesamt mehrere tausend Arten.
Ergebnis: Gesellschaften sind räumlich und zeitlich homogener geworden. Die größte Herausforderung bei der Analyse von Umwelt-DNA sei die Vermeidung von Kontaminationen, sagt Kohrenwinkle. Es ist sehr einfach, genetische Fragmente aus der Umwelt in die analysierte Probe einzubringen und das Ergebnis zu verfälschen.
Im Fall von Artefakten, die über lange Zeiträume deponiert wurden, besteht ein weiteres Problem darin, relativ seltene Artefakte wie Mastodon-Artefakte unter Fragmenten häufiger Arten – wie Mikroorganismen – zu finden. „Um eine so seltene Spur unter vielen anderen zu identifizieren, muss man große Mengen an DNA-Fragmenten sequenzieren.“ Bei ausreichendem Durchsatz könnte im Idealfall sogar das gesamte Genom einer Art aus unzähligen entschlüsselten Fragmenten zusammengesetzt werden.
